Приборы для измерения влажности воздуха называют гигрометрами и психрометрами

Лабораторная работа № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА И ПОСТОЯННОЙ ПСИХРОМЕТРА АССМАНА

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Влажность воздуха - количество водяных паров в воздухе. Влажность играет существенную роль при протекании многих процессов в метеорологии, сельском хозяйстве, промышленности. От влажности воздуха зависит самочувствие и работоспособность человека. Для количественной характеристики влажности воздуха используют понятия абсолютной и относительной влажности, дефицита влажности.

Абсолютная влажность e - масса водяного пара в единице объема воздуха, т.е. объемная плотность водяного пара в воздухе. Водяной пар является одним из компонентов воздуха. Парциальное давление водяного пара - давление водяного пара в объеме, который занимает весь воздух. Парциальное давление по закону Дальтона связано с его плотностью уравнением Менделеева-Клапейрона:

, (1)

Где - молярная масса водяного пара (), - газовая постоянная.

Насыщенный пар (н. п.). При данной температуре существует некоторое максимальное значение абсолютной влажности, соответствующее состоянию насыщения пара. Плотность насыщенного пара Е. Тогда:

. (2)

Давление и плотность насыщенного пара при различных температурах приведены в табл. 1. Отметим, что с ростом температуры максимальное значение абсолютной влажности возрастает. При достижении температуры кипения воды Т = 373,15К (t =100°С) давление воздуха нормальное, давление насыщенного водяного пара = 1 атм = 1,01×10⁵ Па.

При понижении температуры излишки пара конденсируются, превращаясь в туман, росу. Это происходит при температуре , называемой точкой росы, когда плотность водяных паров становится равной .

При отсутствии центров конденсации возможно перенасыщение пара. Однако такое состояние неустойчиво, т. е. метастабильно.

Относительная влажность r (%) равна отношению абсолютной влажности к ее максимальному значению Е при данной температуре, выраженному в процентах:

. (3)

Дефицит влажности D (кг/м³) - разность между максимальным и наблюдаемым значениями абсолютной влажности:

. (4)

Приборы для измерения влажности воздуха называют гигрометрами и психрометрами.

Самые простые стрелочные гигрометры содержат нить из обезжиренного человеческого волоса, синтетического материала или органической пленки, которые сокращаются при увеличении влажности, что вызывает поворот стрелки прибора. Такой гигрометр удобен, но имеет большую погрешность измерений.

В данной работе для измерения влажности воздуха применяются два прибора: конденсационный гигрометр, позволяющий определить точку росы, и психрометр Ассмана.

Конденсационный гигрометр. Гигрометром служит полупроводниковый холодильник тип ТП-2М, основанный на эффекте Пельтье (рис. 1).

Основной частью гигрометра является медный цилиндр MЦ с хромированной и полированной верхней поверхностью. Его температура измеряется термометром Т. Когда его температура достигает температуры росы , на хромированной поверхности конденсируются капельки воды, и она мутнеет. Температуру воздуха в непосредственной близости от поверхности цилиндра можно считать равной температуре поверхности. При повышении температуры вода испаряется, и поверхность снова становится блестящей. Потускнение цилиндра и возвращение блеска легко заметить на фоне полированного хромированного кольца ХК, которое остается комнатной температуры. При проведении опыта между наблюдателем и гигрометром устанавливается стеклянный экран СЭ, препятствующий изменению влажности воздуха около МЦ от дыхания наблюдателя.

Психрометр Ассмана. Психрометр Ассмана состоит из двух одинаковых жидкостных термометров. Для защиты от теплового излучения окружающих тел их резервуары помещены внутри открытых металлических двустенных трубочек. Резервуар одного из термометров обмотан батистом, который смачивается дистиллированной водой с помощью пипетки.

В верхней части прибора помещен вентилятор, обеспечивающий принудительную циркуляцию воздуха с постоянной скоростью у обоих термометров. Привод вентилятора осуществляется от пружинного механизма.

Сухой термометр психрометра показывает температуру окружающего воздуха , а влажный – температуру . Разность температур тем больше, чем меньше относительная влажность воздуха, так как тогда испарение воды происходит быстрее. При (соответствует состоянию насыщения пара) испарение воды у влажного термометра прекращается, и становится равной .

Тепловое равновесие резервуара влажного термометра достигается при равенстве количества теплоты, поступающего от протекающего воздуха, и количества теплоты, необходимого для испарения воды. За одну секунду воздух, обтекающий резервуар, отдает ему количество теплоты, пропорциональное разности температур и площади поверхности испарителя S:

, (6)

где С - коэффициент, зависящий от скорости протекания воздуха.

Испаряющаяся вода отнимает за одну секунду у резервуара количество теплоты:

, (7)

где - удельная теплота испарения воды при температуре , - масса воды, испарившейся за секунду. Эта масса прямо пропорциональна разности между плотностью насыщенного пара при температуре , абсолютной влажностью воздуха и обратно пропорциональна атмосферному давлению :

, (8)

где K – коэффициент, зависящий от скорости протекания воздуха и площади S.

Объединяя формулы (6) - (8) при , получаем соотношение при тепловом равновесии – психрометрическую формулу:

, (9)